基于蛋白质组学方法的金纳米粒子分子生物相容性机理研究

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金纳米粒子具有许多优良的理化特性,因而在医学成像、疾病诊断、药物载体、肿瘤治疗和基因诊疗等生物医学工程领域有着广泛的应用。由于目前还未形成对纳米材料安全性评价的标准体系,纳米材料的安全性问题越来越得到各界的重视。为了使纳米材料能更安全有效的应用于生物医学研究领域,关于它们对细胞以及机体的健康和生物学功能的影响以及作用机理的研究也就显得越来越重要。目前,关于金纳米颗粒分子生物相容性的相关研究还很少。 本论文的研究目的是在金纳米颗粒与细胞相互作用的检测基础上,采用蛋白质组学技术结合生物信息学分析,从蛋白质水平上对20nm金纳米粒子对人皮肤成纤维细胞(HDF-f)的分子生物相容性进行机理研究。通过探索研究纳米材料与机体相互作用的机理的新途径,为建立基于蛋白质组学技术的纳米材料分子生物相容性评价的新方法打下基础。 本论文的具体工作如下: 1、采用柠檬酸钠还原氯金酸法摸索并制备了20 nm纳米金溶胶。采用紫外分光光度计和透射电镜对制备的纳米金溶胶进行表征。此外,对不同水溶剂制备纳米金溶胶结果进行了初步探讨,并对后续实验的纳米金溶胶尺寸选择进行了调研。 2、采用MTT实验获得了HDF-f细胞活力代谢标准曲线。通过制备不同浓度的20 nm纳米金溶液,首先应用MTT实验评价了10-300μM纳米金处理细胞72 h的细胞毒性,并考察了特定浓度(200μM)的纳米金作用细胞1、4、8 h后的细胞毒性;然后采用流式细胞仪技术研究了200μM,20 nm纳米金处理细胞1、4、8 h后对细胞周期和后期凋亡的影响。MTT实验和流式细胞仪的结果显示,200μM,20 nm纳米金对细胞无毒性作用。 3、应用蛋白质组学技术(二维差异凝胶电泳(2D-DIGE)实验和质谱(Mass spectrometry)实验)考察了200μM纳米金,作用1、4、8h后的细胞发生差异表达的蛋白情况。采用蛋白免疫印迹实验(Western blot)对实验结果中挑选的两个蛋白进行了初步验证。通过采用one-way ANOVA差异点筛选原则,获得了细胞在三个时间点都发生差异表达蛋白质点40个。应用质谱技术对2D-DIGE获得的40差异表达蛋白质点进行了鉴定,最终鉴定出36个蛋白点,按照功能蛋白和结构蛋白进行分类,其中有功能蛋白29个,结构蛋白7个。29个功能蛋白分别属于23种不同蛋白。Western blot结果显示,两个蛋白表达情况与2D-DIGE结果一致。 4、应用Cluster和TreeView软件对200μM,20nm纳米金作用HDF-f1、4、8 h后三个实验组发生的40个差异表达蛋白进行层次聚类分析,对蛋白表达模式随时间变化的规律进行分类和研究。所有差异表达蛋白在三个时间点都上调表达的有9个;都下调表达的13个;既有上调又有下调表达的18个。所有差异表达蛋白的可分为8种表达模式。研究发现质谱鉴定出的相同或功能相似蛋白,大部分都聚类在同一表达模式中。 5、应用GoSurfer。软件对200μM,20 nm纳米金作用HDF-f1、4、8 h后三个实验组发生差异表达的23种功能蛋白进行GO功能分类分析,对差异表达的蛋白按照生物学过程(Biologicalprocess)、分子功能(Molecular function)、细胞组分(Cellular component)结构层级进行功能分类研究。根据对所有差异表达的功能蛋白进行生物学过程分类研究,发现,差异表达蛋白富集的生物学过程主要涉及细胞过程和生理过程;分子功能主要涉及结合和催化活性;细胞组分主要涉及细胞和细胞器。通过GO分析,发现差异表达蛋白涉及的生物学功能广泛,这提示纳米金可能对细胞有广泛作用。 6、应用GenMAPP生物学途径分析软件和Ingenuity Pathway Analysis(IPA)分析平台对200μM,20 nm纳米金作用HDF-f1、4、8 h后三个实验组发生差异表达的23种功能蛋白参与的生物学途径和蛋白相互作用网络进行分析。GenMAPP分析结果显示:23种差异蛋白共涉及21个MAPPs;对其中17个“HS Contributed MAPPs”涉及的生物学途径进行了详细讨论。IPA分析结果显示差异功能蛋白共涉及得到7个蛋白/基因相互作用网络、56个生物学功能与疾病分类和27个规范生物学途径,并对7个蛋白/基因相互作用网络进行了详细讨论。通过综合GenMAPP分析和IPA分析的结果,对纳米金分子生物相容性机理进行了初步分析。
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